Un événement de collision enregistré par CMS au début de la collecte de données de 2018. CMS passe au crible de telles collisions jusqu'à 40 millions de fois par seconde à la recherche de signes de particules hypothétiques comme des leptoquarks. Crédit :Thomas McCauley/Tai Sakuma/CMS/CERN
La matière est constituée de particules élémentaires, et le modèle standard de la physique des particules indique que ces particules appartiennent à deux familles :les leptons (comme les électrons et les neutrinos) et les quarks (qui composent les protons et les neutrons). Sous le modèle standard, ces deux familles sont totalement distinctes, avec des charges électriques et des nombres quantiques différents, mais ont le même nombre de générations (voir image ci-dessous).
Cependant, certaines théories qui vont au-delà du modèle standard, y compris certaines "grandes théories unifiées, " prédisent que les leptons et les quarks fusionnent à haute énergie pour devenir des leptoquarks. Ces leptoquarks sont proposés dans les théories tentant d'unifier le fort, forces faibles et électromagnétiques.
De telles "unifications" ne sont pas inhabituelles en physique. L'électricité et le magnétisme ont été unifiés au 19ème siècle en une seule force connue sous le nom d'électromagnétisme, via les formules mathématiques élégantes de Maxwell. Dans le cas des leptoquarks, on pense que ces particules hybrides ont les propriétés des leptons et des quarks, ainsi que le même nombre de générations. Cela leur permettrait non seulement de se « diviser » en deux types de particules, mais permettrait également aux leptons de se transformer en quarks et vice versa. En effet, les anomalies détectées par l'expérience LHCb ainsi que par Belle et Babar dans les mesures des propriétés des mésons B pourraient également s'expliquer par l'existence de ces particules hypothétiques.
Si les leptoquarks existent, ils seraient très lourds et se transformeraient rapidement, ou "pourriture, " en leptons ou quarks plus stables. Expériences antérieures au SPS et au LEP au CERN, HERA à DESY et le Tevatron au Fermilab ont étudié les désintégrations des particules de première et de deuxième génération. Des recherches de leptoquarks de troisième génération (LQ3) ont d'abord été effectuées au Tevatron, et sont actuellement explorées au Large Hadron Collider (LHC).
Puisque les leptoquarks se transformeraient en un lepton et un quark, Les chercheurs du LHC recherchent des signatures révélatrices dans les distributions de ces « produits de désintégration ». Dans le cas des leptoquarks de troisième génération, le lepton pourrait être un neutrino tau ou tau tandis que le quark pourrait être un sommet ou un fond.
Le modèle standard de la physique des particules divise les particules élémentaires de matière en familles distinctes :les leptons et les quarks. Chaque famille se compose de six particules, qui sont liés par paires, ou « générations ». Les particules les plus légères et les plus stables constituent la première génération, tandis que les particules les plus lourdes et les moins stables appartiennent aux deuxième et troisième générations. Les six leptons sont organisés en trois générations – l'« électron » et le « neutrino électronique, " le " muon " et le " muon neutrino, " et le " tau " et le " neutrino tau ". Les six quarks sont également appariés en trois générations - le " quark up " et le " quark down " forment la première génération, suivi du "quark charme" et du "quark étrange, " puis le " top quark " et le " bottom (ou beauty) quark. " Crédit :Daniel Dominguez/CERN
Dans un article récent, à partir des données collectées en 2016 à une énergie de collision de 13 TeV, la collaboration Compact Muon Solenoid (CMS) au LHC a présenté les résultats des recherches de leptoquarks de troisième génération, où chaque LQ3 produit lors des collisions s'est initialement transformé en une paire tau-top.
Parce que les collisionneurs produisent des particules et des antiparticules en même temps, CMS a spécifiquement recherché la présence de paires leptoquark-antileptoquark dans des événements de collision contenant les restes d'un quark top, un quark antitop, un lepton tau et un lepton antitau. Plus loin, parce que les leptoquarks n'ont jamais été vus auparavant et que leurs propriétés restent un mystère, les physiciens s'appuient sur des calculs sophistiqués basés sur des paramètres connus pour les rechercher. Ces paramètres incluent l'énergie des collisions et les niveaux de fond attendus, contraint par les valeurs possibles pour la masse et le spin de la particule hypothétique. Grâce à ces calculs, les scientifiques peuvent estimer combien de leptoquarks auraient pu être produits dans un ensemble de données particulier de collisions proton-proton et combien auraient pu être transformés en produits finaux que leurs détecteurs peuvent rechercher.
"Les leptoquarks sont devenus l'une des idées les plus alléchantes pour étendre nos calculs, car ils permettent d'expliquer plusieurs anomalies observées. Au LHC, nous nous efforçons de prouver ou d'exclure leur existence, " dit Roman Kogler, un physicien sur CMS qui a travaillé sur cette recherche.
Après avoir passé au crible les événements de collision à la recherche de caractéristiques spécifiques, CMS n'a vu aucun excès dans les données qui pourraient indiquer l'existence de leptoquarks de troisième génération. Les scientifiques ont donc pu conclure que tout LQ3 qui se transforme exclusivement en une paire top-tau devrait avoir une masse d'au moins 900 GeV, soit environ cinq fois plus lourd que le quark top, la particule la plus lourde que nous ayons observée.
Les limites imposées par CMS sur la masse des leptoquarks de troisième génération sont les plus strictes à ce jour. CMS a également recherché des leptoquarks de troisième génération qui se transforment en un lepton tau et un quark bottom, concluant que ces leptoquarks devraient avoir une masse d'au moins 740 GeV. Cependant, il est important de noter que ce résultat provient de l'examen d'une fraction seulement des données du LHC à 13 TeV, à partir de 2016. D'autres recherches de CMS et d'ATLAS qui prennent en compte les données de 2017 ainsi que la prochaine période de 2018 permettront au LHC de continuer à tester des théories sur la nature fondamentale de notre univers.
